陸海統籌的海岸帶地質大數據信息服務平臺建設與應用

李 磊，劉 培，黃 壘，王心華

(1.中國地質大學(武漢)國家地理信息系統工程技術研究中心，湖北 武漢 430074；2.中國地質調查局天津地質調查中心，天津 300170；3.武漢華信聯創技術工程有限公司，武漢 430070)

海岸帶指陸地向海洋延伸的地帶的過渡地帶，廣義上是以海岸線為基準向海、陸兩個方向輻射擴散的廣闊地帶[1]。海岸帶作為連接海洋和陸地系統的特殊地理地帶，具有獨特的海、陸屬性，是動態、復雜的自然體系。海岸帶是國家經濟發展的支柱區域，又是區域社會經濟發展的“黃金地帶”[2-3]。與此同時，海岸帶生態環境極其脆弱和敏感，易受全球氣候變化與人類活動的影響，地質災害頻發，嚴重阻礙中國的經濟建設和社會發展[4-7]。

為科學應對海岸帶存在的生態、地質災害等問題，我國開展了海岸帶綜合地質調查、地質環境監測，研究海岸帶資源分布、生態環境特征及可能存在的地質災害等，以掌握近海岸的資源、生態、環境及災害點的時空分布特征與分布規律[8-11]。20世紀80年代末，利用遙感(Remote Sensing，RS)、地理信息系統(Geographic Information System，GIS)、全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)等信息化高技術手段進行資源環境綜合管理成為各國競相發展的領域。近年來，在海岸帶陸海相互作用研究計劃等的帶動下，傳感器技術、3S技術、互聯網通信、高性能計算、數值模擬等技術的大量應用，大大提高了海岸帶科研信息化和協同研究的水平，推動了海岸帶綜合研究的進展。如何運用這些綜合地質調查成果、海量監測數據成果，按照陸海統籌的思路，實現地質成果的信息化共享與管理，更加有效地為海岸帶功能規劃、海岸帶地質資源開發與地質環境保護提供參考依據，充分發揮海岸帶地質工作為國民經濟發展、國土資源管理服務職能，成為海岸帶可持續發展亟待解決的主要問題。

為此，基于互聯網+、大數據、物聯網及遙感技術，整合與挖掘海岸帶綜合地質數據資源，建設了海岸帶地質大數據信息服務平臺，開發了海岸帶環境地質可視化、監測預警分析功能，實現了海岸帶的監測信息管理與監測預警系統的共享訪問。通過海岸帶地質大數據信息服務平臺，發揮數據資源的最大價值，為政府、企業、社會組織、公眾等在內的多元主體進行科學決策和管理提供有力支持，促進對海岸帶脆弱生態環境的保護并對地質災害做出預測和預警，促進海岸帶可持續發展。

1 海岸帶地質大數據信息服務平臺建設需求分析

1.1 海岸帶地質大數據信息服務平臺建設是實現海岸帶地質數據綜合管理，促進海岸帶合理開發利用的技術支撐

隨著沿海地區經濟發展，海岸帶環境資源開發程度也不斷加大。海岸變遷、植被變化、土壤質量下降、水體污染、泥沙淤積等問題，使得海岸帶區域生態環境的可持續發展受到了嚴峻的挑戰。地質調查部門開展了大量海岸帶陸域和海域地質調查工作，為海岸帶管理、開發與保護提供數據支撐。海岸帶相關部門高度重視空間信息技術及其應用，先后建設了功能相對獨立的空間信息系統和面向專題的信息系統平臺。隨著對海岸帶保護的日益重視，獨立的空間信息系統平臺很難滿足海岸帶保護、研究和合理開發的需求，需要信息間的共享和應用平臺推動統籌海陸、海陸融合的海岸帶保護和開發更好更快發展。

1.2 海岸帶地質大數據信息服務平臺建設是海岸帶地質環境監測預警系統建設的基礎

海岸帶特定自然地理位置，存在著一系列特定的自然過程，同時也是人類活動集中活躍地區，對地質作用過程的影響和擾動會對人類的生產生活產生不利影響[12-14]。另外，海岸帶地區經濟發達和人口聚集，會加劇某些自然災害的強度和損失[15]。海岸帶地質大數據信息服務平臺是建設海岸帶地質環境監測預警系統的基礎，也是進行海岸帶地質環境研究的基礎平臺。海岸帶地質環境監測預警系統建設將實現對各類海岸帶監測數據動態管理，全面構建海岸帶地質環境監測預警體系，通過“一張圖”為決策者提供輔助決策評價與分析。

1.3 海岸帶地質大數據信息服務平臺建設是落實大數據和互聯網+創新發展戰略的重要舉措

大數據發展和應用受到國內外各級政府、社會及學術界、產業界高度關注。2015年國務院印發《促進大數據發展的行動綱要》，綱要指出要順應潮流引導支持大數據產業發展，深化大數據在各行業創新應用，催生新業態、新模式，形成與需求緊密結合的大數據產品體系，使開放的大數據成為創業創新的新動力。中國地質調查局高度重視大數據技術及其地質應用，2014年開始設立地質大數據與信息服務工程，開展地質大數據的相關研究和應用工作，連續多年列為工作的重中之重。海岸帶地質大數據信息服務平臺是一個共享的海岸帶地質數據設施，既可以實現數據綜合管理，解決數據瓶頸問題，又能支撐互聯網+創新產業發展。

2 現狀分析

2.1 海岸帶數據資料分散，缺乏陸海統籌規劃

針對海岸帶基礎地質、資源和環境等方面的問題，相關部門開展了綜合地質監測、調查和評價工作，獲得了海岸帶各類地質數據，包括地形地貌、物探、水文、鉆探等數據資料，但這些數據往往保存在不同單位(如地質、測繪、海洋、國土、規劃等)，且保存形式和數據格式千差萬別，再加上各部門數據相對獨立,共享不足，使得海岸帶地質數據得不到有效整合與深入研究。同時，海岸帶是海陸交互作用的特殊區域，海陸是有機的統一體，由于過去的數據資料分散，使海陸無法有效銜接，如地形、基礎地質、工程環境等要素均不在一張圖內顯示，基礎資料和數據不能滿足陸海統籌規劃的需求。

2.2 互聯網+大數據快速發展

互聯網+大數據技術快速發展為海量海岸帶地質數據的存儲、處理與共享提供了技術支撐。部分學者根據存取熱度的不同，設計海量數據分級存儲方案，有效解決普通海量數據的存儲問題[16-18]。同時，黃冬梅等[19]面對具有多源性、區域性、海量、動態、空間相關、時間動態的海洋數據，設計適合于海洋大數據特征的遷移模型，高效存儲復雜的海洋大數據。伴隨分布式文件系統GFS、分布式數據庫Big Table、批處理技術MapReduce以及開源實現平臺Hadoop等的產生，為大數據處理、分析提供有效手段，實現數據到信息的快速轉化。此外在互聯網模式下，通過多資源機構數據的互聯互通，實現數據共享，數據獲取與使用更加便捷，提高數據的重復利用率。

2.3 互聯網+地質應用需要突破海岸地地質大數據服務設施的瓶頸

建立海岸帶地質大數據設施和服務體系，可以實現多機構數據資源的互聯互通、數據綜合發現和便捷數據使用，打破政策限制和成本限制。這將大大提高信息生產商和終端用戶對于海岸帶地質數據的綜合使用能力，通過與其他科學數據、社會經濟數據和互聯網動態數據的大數據融合使用，更大程度增強大數據挖掘和組織能力，提高數據的重復利用率，服務于區域社會經濟發展，支撐新型空間信息產業化應用。

3 平臺建設與應用

陸海統籌的海岸帶地質大數據信息服務平臺建設及其示范應用，既是海岸帶地質工作自身發展、推進海岸帶保護與建設的需要，也是實施國家海洋戰略、“21世紀海上絲綢之路”倡議、國家生態文明建設的必然需求。“海岸帶地質信息服務平臺建設項目”于2018年啟動，主要任務包括海岸帶環境地質大數據基礎設施建設和海岸帶地質信息服務平臺的建設，系統框架見圖1，各層主要內容與功能如下。

1) 數據采集層根據數據的采集類型，對所需數據進行不同的獲取傳輸方式做入庫操作。人工數據通過處理后進入數據中心的地質環境數據庫、監測數據庫或成果文檔數據庫；設備監測數據通過數據采集系統和無線傳輸網絡進入數據中心的監測數據庫。

2) 數據操作層按照統一的標準建立數據庫邏輯模式和物理結構優化的數據庫，對海量監測數據和屬性數據進行管理，為應用系統提供一個信息基礎設施和高效率的運行環境。

3) 平臺支撐層基于GIS平臺，提供系統顯示空間數據所需的地圖編輯、投影轉換、空間分析和地圖裁剪等功能。

4) 業務系統層圍繞業務建立并集成業務應用系統，開發海岸帶環境地質可視化、監測預警分析和數據等系統，并通過系統Web頁面，實現監測信息管理與監測預警系統的共享訪問。

圖1 海岸帶地質大數據信息服務平臺基本框架圖Fig.1 Basic framework of big data informatio ervice platform of coastal geology

3.1 研究內容與關鍵技術

3.1.1 非結構化地質數據組織與存儲技術

地質數據既有結構化的，也有非結構化的，二者是一個共存的有機整體。非結構化數據通常呈碎片化狀態以文本、圖形和圖像方式呈現，數據有其內在的規律,但無法進行嚴格的模式約束。數據中多種價值信息交織在一起，信息總量大但信息點分散，難于梳理提煉和歸納。多尺度、細粒度的內容拆分有利于數據的深度分析和信息的精確定位，但也會帶來內容片段數量的幾何級數式增長。NoSQL技術為解決此類問題提供了良好的方法，項目中使用面向列簇的存儲技術實現非結構化數據的存儲與管理。為此，基于HBase設計了性能優化的非結構化數據存儲表結構(圖2)。行鍵(Rowkey)是根路徑哈希和原生特征編碼的組合，表中包含兩個列簇，Proto用于存儲內容項的Value、關系和來自原生域特征值；Evolvement存儲取值自演化域的特征項的值的引用。HBase表設計中，行鍵的設計至關重要，每一個內容節點都有一個唯一根路徑可作為行鍵，行鍵的構成采用如下策略。

1) 遞歸地將同一父節點下的子孫節點按深度為權值升序存放在連續的行中。

2) 如果數據項存在或繼承有原生域的值，則將其編碼并附加到行健后，否則占位補齊。

3) 保證每個rowkey的長度是相等的，并進行散列處理。由于面對的問題是大型的數據集，所以選用低碰撞概率的散列算法。

圖2 非結構化數據存儲表結構Fig.2 Unstructured data storage table structure

3.1.2 面向主題的非結構數據快速檢索技術

主題是非結構化數據中抽取的結構化信息，標簽是系統使用的表現形式。標簽指的是分類標簽，分類由文本分類程序自動完成。每個內容項會被打上不同的分類標簽，多個標簽可以構成某個主題，通過構建這種形式的主題索引能夠在更高的層面表達數據的內涵，更為高效的檢索數據。主題標簽是一種結構化的表示方法，索引對標簽的索引使用關系數據庫的B+樹索引，能夠實現非結構化數據的類SQL查詢功能。此技術的直接應用是在線服務中的基于地圖的檔案信息檢索功能，完成傳統SQL查詢向非結構化數據的嫁接。

3.1.3 大數據技術

平臺采用Kafka數據接收器、NoSQL(HBase)數據庫、Tachyon內存管理、Spark統計分析等大數據主流技術，支撐和滿足多種類、高頻次、大容量實時資料的高時效傳輸需求，數據實時同步和共享需求。與現有的系統相比，該系統在數據存儲和數據顯示方面進行了改進和優化，數據存儲上采用非關系型數據庫分布式集群部署，大大縮短了數據檢索耗時，數據顯示上采用SVG繪圖和分級顯示，大數據量時的繪制速度明顯提升。

3.1.4 Portal技術

3.2 海岸帶地質大數據信息服務平臺建設成果

通過海岸帶地質大數據信息服務平臺，建立了大數據設施和智能化共享服務，消除數據和信息孤島現象，實現信息資源共享，連接各類數據資源，提高信息獲取的準確性和時效性，為強化海岸帶的動態監控能力、提升資源環境科學決策和公眾信息服務水平打下堅實的基礎。

3.2.1 海岸帶環境地質數據庫標準規范編制

完成了海岸帶環境地質數據庫標準規范編制。海岸帶環境地質數據庫建設指南是根據中國地質調查局“海岸帶綜合地質調查工程”數據庫建設的實際需要而編制的規范化文件，按照陸海統籌的總體思路要求，在借鑒城市群地質環境調查評價數據庫建設指南與海洋區域調查數據庫數據模型基礎上，建立了陸海一體的數據模型。

海岸帶環境地質數據庫的數據內容分為野外綜合調查類、野外綜合施工類、野外動態監測類、樣品測試類、數據整理與匯總類、綜合研究與分析成果類6大類，基本上是按地質調查評價工作過程來組織數據內容的。在各大類基礎上，再按專業類型來進一步組織相關數據，用來描述基礎地理、基礎地質、水文地質、工程地質、環境地質、地球物理(遙感)、地球化學、地質資源等方面的專業信息。

其中,空間矢量數據、柵格數據，按數據本身格式進行存儲，屬性數據包括各類水文地質、工程地質、環境地質、地質災害、地質資源、地質監測等相關專業的屬性數據，將以關系數據庫的常規模式進行組織管理，而對于地質環境工作過程中產生的一系列成果數據，非結構化數據，包括眾多的圖件、報告和多媒體資料，這些資料數據量較大，不易直接存放于普通的關系數據庫中，系統采用地質資料非結構化數據存儲方案進行存儲。

3.2.2 海岸帶環境地質數據庫管理系統與海岸帶數據集成建庫示范

按照海岸帶環境地質數據庫標準完成了海岸帶環境地質數據庫管理系統的建設，實現海岸帶數據一體化整合、入庫、存儲和管理工作，并進行了示范區數據庫的建立。

數據庫管理系統建設以已有相關建庫標準與數據為基礎，以數據的更新、管理與維護為支撐，以數據集成與應用為目標，重點解決海岸帶工程數據的集成管理，應用服務支撐與更新維護動態變化等問題?；谠撓到y完成了示范區數據庫的建立：通過海岸帶數據管理系統開發的轉換模塊入庫，建立了曹妃甸一期數據庫與平臺數據庫的對應關系；城市群數據庫(包括曹妃甸二期數據庫、唐山-秦皇島地質環境數據庫、滄州地質環境數據庫)直接由數據管理系統轉換入庫；海岸帶工程增量數據與已有的各類原始數據則分別錄入為Excel表格，在管理系統的不同屬性表中分別導入。整理完成鉆孔、監測數據入庫工作包括鉆孔數據、測試數據、各監測數據及鉆孔附屬子表等數據，共計錄入鉆孔1 098個、測試數據12 473條、水文監測剖面4條、底質沉積監測150條等；整理完成物探數據入庫工作包括重力剖面、淺震剖面、CSAMT物探剖面、EH4勘探剖面等，共計70余條。接入中心自動監測設備共8個，包括昌黎水質監測站、南港碼頭潮汐站、秦皇島新港港務總公司、河北唐山地應力監測點、河北昌黎地應力監測點等。

冀東油田勘探開發區塊分為南堡灘海和南堡陸地，鉆遇中淺層地層主要為平原組、明化鎮組、館陶組和東營組。其中，南堡陸地部分區塊東營組缺失，沙河街地層溫度相對較低，約110℃左右;上部平原組、明化鎮組和館陶組多以砂泥巖為主，黏土含量高，鉆井過程中巖屑水化分散嚴重，快鉆時要求鉆井液體系有較強的包被抑制能力，館陶組底部普遍發育玄武巖和底礫巖，要求鉆井液體系有較好的抑制能力和封堵能力。鉆遇儲層要求鉆井液體系具有良好的降濾失性能和高中孔滲儲層保護性能。

3.3 平臺應用

基于海岸帶大數據中心基礎設施和服務平臺，項目完成了可視化分析系統、監測預警系統、資源環境承載力評價系統以及科普服務及門戶網站系統四個應用系統的開發。

3.3.1 海岸帶數據可視化系統

海岸帶數據可視化系統可實現海岸帶環境地質信息一站式管理與服務功能，實現海岸帶地質環境相關所有圖表數據、成果文檔、地質圖件等綜合數據的數據顯示、查詢、統計、業務展示以及分析評價功能，全面提高數據庫與各類成果數據的使用率。海岸帶地質大數據信息服務平臺支持多專題圖層顯示、圖層控制顯示、地質圖件顯示以及文檔資料顯示功能。其中多專題圖層顯示支持多個專題圖層的疊加顯示；圖層控制顯示實現限制空間范圍顯示功能，對限制范圍內的數據可以實現上圖功能；地質圖件顯示實現地質圖件的顯示功能；文檔資料顯示主要顯示海岸帶地質成果文檔數據(如PDF、Word、JPG、MapGIS圖件、ArcGIS圖件等)。通過以上四個功能模塊，實現海岸帶地質信息的綜合顯示功能，達到快速、直觀、全面地了解海岸帶地質信息的目的。

3.3.2 海岸帶監測預警系統

實現對各類海岸帶監測數據動態管理，全面構建海岸帶地質環境監測預警體系，通過“一張圖”為決策者提供輔助決策評價與分析。海岸帶生態系統具有物種多樣性、環境脆弱性、監管繁瑣等特點，對海岸帶生態系統功能監管與保護是國家發展的工作重點之一。項目針對地應力、地面沉降、地下水、斜坡穩定性、海洋底質沉積、海洋動力環境、海洋水質、水土環境污染、水土環境、海岸帶水深、海岸線、海岸線地表環境等12方面進行監測，通過集成相關技術構成監測預警系統。對監測數據進行信息管理、數據分析、實時監測預警以及歷史監測預信息分析，實現對監測數據的統一管理。為海岸帶環境地質監測、政府部門決策與社會公眾科學普及提供簡潔、高效、快速的信息化業務管理和技術支撐，以保護海岸帶脆弱的生態系統，促進海岸帶可持續發展。

3.3.3 海岸帶資源環境承載力評價系統

海岸帶承載力評價系統在建立可定制的資源環境承載力綜合評價指標體系與評價模型基礎上，以市、縣為評價單元分別進行海岸帶資源承載力評價，進而完成海岸帶資源承載力評價和預警，為地區可持續發展提供技術支撐和科學依據。在該系統基礎上，對秦皇島資源環境承載能力進行綜合評價。

海岸帶資源環境承載力評價與預警平臺主要是面向專業業務人員進行構建。首先建立海岸帶資源環境承載力土地資源、地熱資源、水資源、天然建材資源、土地質量和地下水質量海岸帶要素的指標體系，根據建立的指標體系進行數據模型和評價模型設計；通過評價模型定義的數據類型和計算方法進行評價，從數據中心中抽取相關數據進行計算，得到最終評價成果，并發布為標準的OGC服務提供其他系統進行調用。系統包括首頁、指標體系、評價模型、數據管理、評價分析和評價成果等幾個模塊。

3.3.4 科普服務及門戶網站系統

該系統主要為搭建海岸帶社會化服務公共服務窗口，為社會公眾提供海岸帶地質相關資訊與科學普及知識服務。

“地質云”平臺對接主要結合海岸帶地質大數據信息服務平臺實際建設情況及數據管理方式，建設完成地質云海岸帶專題應用，實現海岸帶地質圖件、監測數據等在地質云中的展示功能。“渤海灣西岸海岸帶變遷”專題應用的設計核心是泥質海岸帶的典型區域-渤海灣西岸的海岸帶在過去2萬～3萬年以來的變遷，科普中國大陸海岸的知識，展示海岸帶變遷的整個過程和變遷過程中的現象。

海岸帶地質信息服務門戶系統為基于SOA架構的WebGIS服務平臺，其通過專業GIS手段為地質空間數據庫成果應用提供技術支撐?？臻g數據存儲在PostgreSQL輕量級開源數據庫中，通過ArcSDE交互訪問。將數據通過ArcGIS Server發布為Web Services，整合在線地理底圖服務與業務空間數據服務，前端通過Web瀏覽器調用地圖服務和數據服務，實現基本GIS操作，業務數據空間查詢、條件查詢、目錄檢索和成果輸出等功能

4 展 望

海岸帶作為連接海洋和陸地系統的特殊地理地帶，涉及海岸地質、地理、生態、環境、資源、生物、災害、信息、工程、經濟、管理等多個學科領域，為科學管理海岸帶，需要對各領域的數據進行綜合整理分析。項目建設的海岸帶地質大數據信息服務平臺，按照陸海統籌的思路，實現了海岸帶數據的統一規劃、綜合管理和資源共享。為未來海岸帶地質大數據信息服務平臺的推廣進行了示范應用，基于該平臺開發了海岸帶數據可視化系統、海岸帶監測預警系統，海岸帶資源環境承載力評價系統和科普服務及門戶網站系統等示范應用子系統。未來將進一步整合海岸帶數據，將平臺打造成海岸帶管理的重要基礎設施，為政府、企業、社會組織、公眾等在內的多元主體進行科學研究、決策和管理提供有力支持，促進海岸帶生態系統的保護和管理，促進海岸帶持續發展。